□ 徐 靜 □ 薛欣瑋 □ 盧 健

西安工程大學(xué) 機電工程學(xué)院 西安 710048

1 研究背景

隨著全球大氣污染越來越嚴(yán)重，清潔環(huán)保的風(fēng)能發(fā)電成為人們競相研究的熱點［1-2］。風(fēng)力發(fā)電機組一般都安裝在風(fēng)力資源較為充沛、自然環(huán)境較為惡劣的野外［3-4］，為了保證風(fēng)力發(fā)電機在復(fù)雜的自然環(huán)境中能夠可靠運行，對連接塔架各筒身的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析及疲勞壽命評估是必不可少的工作［5］。

近20年來，國內(nèi)外學(xué)者主要集中于對風(fēng)力發(fā)電機連接塔架的標(biāo)準(zhǔn)碳鋼法蘭設(shè)計及墊片性能的研究［6-7］。螺栓法蘭在制造過程中，材料內(nèi)部會存在一些缺陷，如氣孔、夾雜和裂紋等，這些缺陷會嚴(yán)重影響法蘭的使用壽命，如果法蘭和螺栓出現(xiàn)損傷，那么會影響整個風(fēng)力發(fā)電機的性能［8］。因此，筆者對螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料選擇，并利用ANSYS軟件對其進(jìn)行應(yīng)力及疲勞壽命分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化分析等后續(xù)研究工作提供理論依據(jù)。

2 螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)及材料選擇

風(fēng)力發(fā)電機塔架上的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)由上法蘭、下法蘭、墊片和螺栓組成，在這一結(jié)構(gòu)中，螺栓與螺母緊固，用于連接上、下兩個法蘭，法蘭上分布著內(nèi)、外側(cè)螺栓。

螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的主要失效形式是泄漏，因此重點是保證其密封性［9］。

螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的材料有很多，如碳鋼、合金鋼等，根據(jù)結(jié)構(gòu)功能不同，選擇的材料也不同。作為風(fēng)力發(fā)電機塔架上的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)，需要具有較高的靜力強度、沖擊韌性和疲勞極限［10-11］，因此筆者選擇35CrMoA合金鋼作為螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的整體材料，其材料性能見表1［12］。

表1 35CrMoA合金鋼材料性能

3 螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)有限元模型

3.1 實體建模

根據(jù)螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的特點，在對實體進(jìn)行模擬時進(jìn)行了如下簡化處理：忽略螺栓墊片、螺紋細(xì)節(jié)及各種幾何倒角，將六角頭螺栓螺母簡化為圓形螺母，不考慮塔架和法蘭連接區(qū)域焊縫及其殘余應(yīng)力的影響，并假設(shè)分析模型中所有的部件均無缺陷，質(zhì)量分布均勻。

法蘭盤上內(nèi)、外側(cè)均勻分布100個螺栓。上、下法蘭尺寸相同，內(nèi)半徑為1 935 mm，外半徑為2 415 mm。法蘭盤上均布的孔直徑為30 mm。螺栓長度為340 mm，直徑為28 mm。螺母長度為20 mm，外徑為60 mm。

應(yīng)用ANSYS軟件中的SOLID186體單元和MESH200面單元進(jìn)行模擬，采用自下而上的建模方式，按照尺寸建立面后，由旋轉(zhuǎn)方式生成螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示 。

▲圖1 螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)模型

3.2 網(wǎng)格劃分

ANSYS軟件中網(wǎng)格繪制有很多方法，如Map映射、Sweep掃掠和智能網(wǎng)格劃分等［13-17］。智能網(wǎng)格劃分有六個等級可以選擇，無論是何種幾何圖形，都可以通過智能網(wǎng)格直接繪制出來，但是繪制出來的網(wǎng)格是不規(guī)則或不均勻的，并且會有較大的計算量。因此，筆者采用Map映射及Sweep掃掠進(jìn)行網(wǎng)格劃分。所分析的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)僅承受軸向載荷的作用，且法蘭滿足幾何對稱和載荷對稱，總共包含1 246 176個節(jié)點和314 796個單元。螺栓法蘭承受的預(yù)緊力為909 440 N，外部載荷為將65 000 N的力沿軸向方向分十次進(jìn)行加載。在預(yù)緊承壓工況下，帶有內(nèi)、外側(cè)螺栓的某節(jié)法蘭有限元模型如圖2所示，內(nèi)、外側(cè)螺栓的模型如圖3所示。

▲圖2 法蘭有限元模型

▲圖3 內(nèi)、外側(cè)螺栓有限元模型

4 結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力分析

在軸向載荷作用下，某節(jié)35CrMoA合金鋼螺栓法蘭結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖4所示?？梢姡?dāng)施加載荷時，法蘭應(yīng)力沿軸向方向由下往上逐漸增大，上內(nèi)側(cè)和上外側(cè)都出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，內(nèi)側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力最大值，并且法蘭發(fā)生了彎曲。

▲圖4 螺栓法蘭結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由于法蘭內(nèi)側(cè)出現(xiàn)的應(yīng)力最大，因此對內(nèi)側(cè)螺栓進(jìn)行應(yīng)力分析，其應(yīng)力云圖如圖5所示?？梢?，螺栓在承受軸向載荷時應(yīng)力從螺栓桿中部向兩邊增大，與螺母下端連接處應(yīng)力最大，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

▲圖5 內(nèi)側(cè)螺栓應(yīng)力云圖

4.2 數(shù)據(jù)分析

將法蘭上內(nèi)側(cè)、外側(cè)的螺栓按順時針方向從1至100編號，應(yīng)用ANSYS軟件計算出軸向載荷下內(nèi)、外側(cè)各100個螺栓的應(yīng)力大小擬合曲線，如圖6所示?？梢?，外側(cè)100個螺栓的應(yīng)力數(shù)值呈軸向?qū)ΨQ，有應(yīng)力最大值和最小值，螺栓受力不均勻。在實際工作中，應(yīng)避免應(yīng)力最大處的螺栓產(chǎn)生疲勞，發(fā)生危險。內(nèi)側(cè)100個螺栓的應(yīng)力數(shù)值也呈軸向?qū)ΨQ，有應(yīng)力最大值和最小值，螺栓受力不均勻。外側(cè)1號和100號螺栓所產(chǎn)生的應(yīng)力值大于內(nèi)側(cè)1號和100號螺栓所產(chǎn)生的應(yīng)力值，外側(cè)50號螺栓所產(chǎn)生的應(yīng)力值小于內(nèi)側(cè)50號螺栓所產(chǎn)生的應(yīng)力值。

以1號螺栓為研究對象，圖7所示為在十次外力加載下，螺栓應(yīng)力的擬合曲線變化趨勢：先呈線性變化，當(dāng)載荷增大到一定程度后，應(yīng)力突然增大，呈非線性變化。這是因為螺栓在經(jīng)過一定次數(shù)和增大的外力加載后，其應(yīng)力會隨疲勞的積累而發(fā)生突然增大。

▲圖6 外、內(nèi)側(cè)螺栓應(yīng)力擬合曲線

▲圖7 螺栓載荷與應(yīng)力關(guān)系曲線

4.3 疲勞分析

疲勞破壞是結(jié)構(gòu)件失效的主要原因之一，如不及時發(fā)現(xiàn)或準(zhǔn)確預(yù)估結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命，可能會產(chǎn)生非常大的危害。根據(jù)疲勞曲線及Miner-Palmgren線性累積損傷準(zhǔn)則［18-19］，考核筆者所分析的螺栓結(jié)構(gòu)疲勞壽命是否符合使用條件。

在交變載荷作用下，疲勞損傷是可以線性累加的，各個應(yīng)力之間相互獨立、互不相干。當(dāng)累加的損傷達(dá)到某一數(shù)值時，試件或結(jié)構(gòu)件就會發(fā)生疲勞破壞。在風(fēng)力發(fā)電機20年的設(shè)計壽命中，螺栓結(jié)構(gòu)不發(fā)生疲勞破壞應(yīng)滿足的條件是［20］：

式中：D為各個螺栓的累計損傷度；ni為疲勞載荷譜第i級疲勞載荷的計算疲勞循環(huán)次數(shù)；Ni為第i級疲勞載荷的允許疲勞循環(huán)次數(shù)。

通過計算，得出各個螺栓的累計損傷度D遠(yuǎn)小于1.0，即由筆者所選材料35CrMoA合金鋼制造的螺栓及法蘭的疲勞壽命都符合使用要求。

5 結(jié)論

筆者以內(nèi)、外側(cè)含有100個螺栓孔的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)為研究對象，使用ANSYS有限元分析軟件，進(jìn)行應(yīng)力和疲勞分析，得出如下結(jié)論。

（1）選擇35CrMoA合金鋼作為風(fēng)力發(fā)電機塔架轉(zhuǎn)接段螺栓法蘭連接的材料，具有較高的靜力強度、沖擊韌性和疲勞極限。

（2）通過ANSYS軟件進(jìn)行螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的有限元分析，可以比較精確地掌握法蘭與各螺栓的受力情況，以及產(chǎn)生的應(yīng)力大小，為螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的強度校核及優(yōu)化設(shè)計提供可靠依據(jù)。由應(yīng)力云圖可以看出，螺栓在安裝時一定要避免承受附加的彎曲載荷，在結(jié)構(gòu)上保證載荷不偏心，在工藝上保證連接件、螺母和螺栓頭部的支撐面平整，并與螺栓軸線垂直［21-22］。

筆者所分析的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)符合使用要求，為今后螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的選材提供了理論依據(jù)。